2017 Rapport Recherche

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© Météo-France 2018 Copyright avril 2018 ISSN : 2116-438X Création DIRCOM/CGN

Rapport Recherche

2017

Rapport

Recherche 2017

Sommaire

Prévision numérique du temps ^䢇

Étude et modélisation des processus ^䢇

Composition atmosphérique : aérosols, microphysique et chimie ^䢇

Climat ^䢇

Étude du climat Évolution climatique Prévision saisonnière

Cryosphère et Hydrologie ^䢇

Océanographie ^䢇

Campagnes, techniques et produits d’observation ^䢇

Campagnes

Techniques et produits d’observation

Recherche et aéronautique ^䢇

Annexes ^䢇

Le nouveau Contrat d’Objectif et de Perfor- mance (COP) de Météo-France pour la période 2017-2021 est lancé. La recherche y occupe une place privilégiée tant elle vient en support à l’ensemble des métiers de l’Établissement.

Elle est la source des innovations mises en œuvre ultérieurement en matière d’observa- tion, de prévision numérique du temps et du climat. Elle permet à l’Établissement d’amé- liorer sans cesse la qualité de ses produits opérationnels et d’ouvrir de nouveaux chan- tiers pour répondre aux attentes de la société et des pouvoirs publics.

Mais un autre élément amène à réfléchir encore à notre stratégie scientifique. A la fin de l’année 2017, le Gouvernement a lancé son programme « Action Publique 2022 » qui vise à la transformation des services publics pour en améliorer la qualité, en moderniser l’environnement de travail et accompagner la baisse des dépenses publiques. Inclus dans cette réflexion, Météo-France construit un nouveau projet pour l’Établissement, en inté- grant la diminution demandée des effectifs sur la période, mais en maintenant ses ambi- tions, celles figurant dans le COP et en particu- lier celles en lien avec la recherche.

Au niveau international, il s’agira d’amplifier notre politique de coopération privilégiée avec le CEPMMT autour du modèle global ARPEGE/IFS et de consolider le rapproche- ment avec les consortiums ALADIN et HIRLAM

pense en particulier à la mise en opération prochaine d’ADM-Aeolus mais aussi à la pré- paration des futurs satellites MTG et EPS-SG qui embarqueront de nouveaux instruments à fort potentiel. Météo-France poursuivra éga- lement sa forte participation aux projets européens dont Copernicus.

Au niveau national, Météo-France confirme son implication dans la communauté scienti- fique qui se manifeste par des liens divers avec de nombreux acteurs dont le CNRS, le CNES, les Universités et sa participation à AllEnvi. L’Établissement est partie prenante des Pôles de Données AERIS et THEIA, du Pôle Système Terre, de Kalideos-Alpes sous l’égide du CNES, et participe à la construction de l’IR ACTRIS-FR et de CLIMERI-France. En particu- lier, le pôle de données AERIS est une oppor- tunité et un vecteur pour faciliter l’accès aux données opérationnelles de l’Établissement au monde de la recherche. Et plus localement, Météo-France réaffirme son soutien au monde académique toulousain, dans un contexte dif- ficile suite à l’échec de l’Idex.

Au niveau de ses priorités internes, Météo- France accentuera son orientation de long terme « sans couture » de ses différents sys- tèmes numériques avec pour cible un unique système de la méso-échelle au global, inté- grant tous les compartiments du Système Terre : atmosphère, vagues, océan, banquise, surfaces continentales incluant l’hydrologie,

Marc Pontaud

Directeur de la Recherche de Météo-France

©CamilleLuxen

l’Établissement est détaillé dans le présent document. On peut néanmoins mentionner les axes majeurs que sont la prévision des évènements fortement précipitants, phéno- mènes à fort impact pour nos côtes méditerra- néennes, la prévision des cyclones qui ont frappé douloureusement, voire tragiquement, nos territoires d’outre-mer, ou du brouillard, phénomène à enjeux pour l’aviation civile et qui fait l’objet d’un point particulier dans le nouveau COP. A l’autre bout du spectre, sous la houlette du GIEC, le CNRM a démarré les simulations de l’exercice CMIP-6 avec une nouvelle version du système climatique CNRM-CM6 et un Système Terre incluant le cycle du carbone CNRM-ES. Il s’agit aussi de mieux prendre en compte les perspectives offertes par l’intelligence artificielle, afin de mieux valoriser les prévisions d’ensemble, les nombreuses observations et de faire le lien avec les impacts. Dans ce contexte en forte évolution, la problématique du transfert vers les directions opérationnelles redevient un enjeu qui sera au centre de notre réflexion.

En lien avec les cœurs dynamiques et la pers- pective de l’exascale, Météo-France participe au projet de Flagship « Extrem Earth », en étant le représentant de tous les pays euro- péens pour la modélisation numérique du temps. La cible est l’élaboration d’un modèle global océan-atmosphère à l’échelle convec- tive en vue des calculateurs de capacité exas- cale. Si ce Flagship devait aboutir, il sera un défi majeur et structurant pour toute la com- munauté météo-climatique européenne. Pour l’heure, Météo-France, qui a vu une montée en puissance de ses calculateurs en 2016 (2 x

2,5 Pflops), constate, à la fois avec satisfac- tion mais aussi inquiétude, qu’aujourd’hui la mise en œuvre de toutes les avancées scienti- fiques amène à une saturation des deux machines. Le projet de renouvellement de nos moyens de calculs en 2020 est donc un enjeu majeur, pour convertir continuellement les travaux de recherche, en amélioration de nos systèmes numériques, et in fine, pour tou- jours mieux prévoir et prévenir.

Avant de conclure, il faut encore mentionner que Météo-France a souhaité, en 2017, clari- fier l’organisation de sa recherche, en créant une Direction de la Recherche au 1^erjanvier 2018. Il s’agissait d’affirmer l’existence une direction spécifique en lien avec les acteurs de la recherche et de reconnaitre formellement dans nos Documents d’Organisation internes, les diverses Unités Mixtes dont Météo-France partage la tutelle et qui matérialisent nos plus forts partenariats. Ces entités sont l’UMR CNRM, l’UMR LACy et l’UMS SAFIRE mais

également les UMS de trois Observatoires des Sciences de l’Univers : l’UMS de l’OMP à Toulouse, de l’OSUG à Grenoble et, depuis le 1^erjanvier 2018, de l’OSU-R à La Réunion.

Cet éditorial ne peut, ni couvrir, ni résumer, l’ensemble des sujets traités dans ce Rapport Recherche 2017. Les articles détaillés qui suivent, sont passionnants et illustrent parfaitement le large spectre de nos activités recherche, toutes essentielles à l’Établissement et à son devenir.

Bonne lecture.

Prévision numérique du temps

Le résultat le plus remarquable dans le domaine de la prévision numérique du temps est d'avoir étendu l'utilisation du modèle de surface SURFEX à toutes les chaînes opérationnelles. SURFEX matérialise les investissements de long terme de la recherche de Météo-France sur les processus tur- bulents et les interactions surface-atmosphère. Il s'agit d'un modèle de type mosaïque, qui propose aujourd'hui de nombreux types de surfaces et de couches avec la possibilité de représenter leurs interactions. SURFEX est le modèle de surface d'AROME depuis le début de ce système de pré- vision de l'échelle convective, il a aussi été la composante de surface de CNRM-CM, le modèle couplé de climat de Météo-France, par exemple dans l'inter-comparaison CMIP5 et donc la contribution au cinquième rapport d'évaluation du GIEC. Il a aussi été introduit dans les versions d'ALADIN outre-mer, récemment remplacées par des configurations d'AROME spécifiques. En bref, disposer de SURFEX dans les systèmes de prévisions mon- diales à courte échéance basés sur ARPEGE est un objectif de longue date : son ensemble d'assimilation, sa prévision d'ensemble, son assimila- tion de données 4DVar et la configuration à haute résolution. Par « de longue date », on veut dire que certains plans sont vieux de près de 15 ans, ce qui est une manière de dire que ce changement est connu depuis longtemps pour être un défi technique immense. Il y a toujours eu des choses plus urgentes à faire, plus critiques. Le nœud de la difficulté était de permettre une mise à jour des paramètres de surface régulière et efficace au fil du cycle d'assimilation mondial. La chaîne ARPEGE a été l'un des premiers systèmes de prévisions mondiales à bénéficier d'une telle capacité, où on réalise une analyse de la température et de l'humidité sous abri par interpolation optimale, dont on déduit des corrections des températures du sol et des contenus en eau. Grâce à un effort spécifique à la hauteur de cet enjeu, les nombreux problèmes techniques liés au couplage dans les deux sens avec SURFEX avec cette composante du 4DVar ainsi que dans l'assimilation d'ensemble ont été résolus. Tout n'est pas encore parfait, mais ce résultat ouvre une ère nouvelle, compte tenu des nombreuses possibilités offertes par SURFEX : il s'agit d'un véritable investissement qui donnera des bénéfices au long des années à venir. Il s'agit, par exemple, d'un pas significatif en direction de systèmes d'assimilation et de modé- lisation « sans coutures », puisque désormais, SURFEX est d'une utilisation universelle, de l'échelle convective aux projections climatiques. De nom- breux collègues ont contribué à ce résultat, non seulement les scientifiques du Groupe de recherches sur la méso-échelle qui ont développé le concept initial mais aussi nos collègues des services opérationnels de Météo-France ainsi que du Groupe de recherches en prévision numérique lui-même. Toutefois, la difficile étape franchie cette année ne peut qu'être dédiée à notre collègue et amie Françoise Taillefer, disparue accidentel- lement le matin du 7 avril 2017, venant à peine de terminer le plus gros de ce travail.

Les pages qui suivent évoquent d'autres aspects des recherches en cours qui, en définitive, visent à améliorer les prévisions numériques fournies par Météo-France, à la fois de façon directe auprès de nos concitoyens à travers sa politique de données publiques et de façon indirecte à travers ses prévisionnistes experts. Il convient de rappeler ici, une fois de plus, que le code informatique à l'arrière-plan de ces outils numériques est déve- loppé dans le cadre d'une étroite, forte, coopération avec le CEPMMT ainsi qu'avec plus de 25 services hydrométéorologiques nationaux d'Europe et d'Afrique du Nord, ce qui est une situation unique. Ce code bénéficie ainsi de l'ajout d'innovations scientifiques au fil du temps mais, en même temps, il est adapté en permanence pour tirer le meilleur parti des architectures de calcul intensif actuelles ou celles d'un proche futur. Cette acti- vité requiert en soi, elle aussi, une implication profonde, durable, d'une grande partie du groupe de recherches en prévision numérique. Les pages qui suivent ne mentionnent pas tous les thèmes qui ont progressé. En même temps que l'insertion du modèle de surface SURFEX, beaucoup d'au- tres évolutions sont devenues opérationnelles en décembre 2017 : une nouvelle augmentation du nombre et de la diversité des observations assi- milées à la fois par AROME et par ARPEGE, de meilleures conditions initiales pour plusieurs des configurations AROME, un accroissement considérable des sorties semi-élaborées destinées aux prévisionnistes et aux utilisateurs de services, une première étape dans le couplage océan atmosphère à courte échéance, etc. L'un des faits marquants les plus significatifs de l'utilité et de la qualité des chaînes opérationnelles qui résul- tent de tout ce travail est, peut-être, la séquence de prévisions de cyclones tropicaux par les configurations d'AROME pour l'outre-mer, en particu- lier les prévisions des cyclones qui ont touché plusieurs des îles antillaises au cours des premiers jours de septembre 2017, nommés Irma et Maria.

Ces prévisions figuraient, par exemple, des rafales de vent prévues de dépasser 200 km/h, le modèle confronté à de telles amplitudes restant sta- ble et cohérent, fournissant de nombreuses autres variables extrêmes au sein de ces structures. Beaucoup ont été en effet observées, qui plus est le long de la bonne trajectoire et à peu près au bon moment.

On considère en météorologie que l’entropie qui est basée sur la formulation de l’entropie permettent de décrire l’impact des processus 1

Représentation des processus isentropes pour l’air humide

2

䊱

Les fonctions de courant isentropesΨcalculées avecθ_e(à gauche) ouθ_s(à droite).

Les flèches indiquent les circulations moyennes simulées par le modèle ALADIN pour le cyclone Dumilé.

Les lignes continues quasi-horizontales représentent les altitudes moyennes de givrage (vers 5 km) ainsi que les iso -12 C (vers 8 km) et -38 C (vers 11 km).

Unités en 10⁴kg/m²/s.

䊴

Françoise Taillefer, scientifique engagée dans sa spécialité, la prévision numérique opérationnelle du temps, de 1991 à 2017.

1

2

tropie est une fonction d’état et ses variations entre deux points donnés de l’atmosphère ne peuvent pas correspondre à la fois à une aug- mentation et à une diminution, selon les for- mulations choisies pour la représenter.

Ainsi, il faut faire confiance àθ

spour représen- ter l’entropie de l’air humide, car elle seule est en accord avec le troisième principe de la ther- modynamique qui a été découvert par Nernst puis précisé par Einstein et Planck au début du

vingtième siècle. L’étude montre d’autres aspects pour lesquels le troisième principe semble devoir s’appliquer : le calcul du travail ou du rendement des cycles de Carnot, etc…

Cette recherche vise à remplacer la technique spectrale utilisée dans les modèles de PNT à Météo-France, peu adaptée aux futures machines de calcul d’architecture massive- ment parallèles, en raison des communica- tions de données entre processeurs qu’elle requiert à chaque pas de temps.

La méthode examinée ici envisage de conser- ver l’actuelle grille latitude-longitude réduite (de résolution spatiale quasi-uniforme, voir Figure a) en exploitant son aspect semi-struc- turé pour construire des opérateurs spatiaux (dérivées et interpolations) à la fois locaux (nécessitant peu de communications) et d’or- dre de précision élevé.

Moyennant un soin particulier près des pôles de la grille, nous avons montré qu’il est possi- ble de définir des opérateurs spatiaux permet- tant d’assurer une précision aussi élevée aux pôles qu’ailleurs sur la sphère. Il faut donc démontrer maintenant que ces opérateurs assurent une stabilité suffisante dans toute la plage des régimes hydrodynamiques présents

dans les conditions atmosphériques réelles.

Ce travail est en cours actuellement, en exami- nant le comportement des prévisions sur des cas bidimensionnels idéalisés présentant des régimes sévères tout d’abord hors des pôles (voir Figure b), puis aux pôles eux-mêmes (tra- vaux en cours).

Resteront alors à examiner des écoulements tridimensionnels avec des conditions sévères aux pôles de la grille de calcul, et vérifier la compatibilité de ces algorithmes avec les nou- velles discrétisations temporelles envisagées par ailleurs.

Les opérateurs de dérivées locaux permettant une utilisation de la grille A

réduite sur la sphère

Les échanges Océan-Vagues-Atmosphère (OVA) ne sont pas bien représentés dans les systèmes actuels de prévision numérique du temps, ce qui peut par exemple, engendrer de grandes incertitudes dans les prévisions de la trajectoire et de l’intensité des cyclones tropi- caux. Afin de mieux comprendre l’influence des interactions OVA sur la modélisation des cyclones tropicaux, un système entièrement couplé basé sur le modèle atmosphérique Méso-NH/SurfEx, le modèle de vagues WaveWatch3 et le modèle océanique CROCO (et alternativement NEMO-Indien) a été déve- loppé et appliqué au cas du cyclone tropical Bejisa, qui est passé à proximité de La Réunion en janvier 2014.

La simulation entièrement couplée montre une bonne concordance avec la littérature et les observations disponibles. Deux figures pré- sentent une illustration de plusieurs paramè- tres représentatifs des 3 composantes simulées par le système couplé. Une résolu- tion horizontale de 2 km est utilisée pour chaque modèle. La figure « a » (couleurs) pré- sente le module de la vitesse du vent à 10 m

significative des vagues (figure « a » : contour) atteint plus de 8 m à l’avant du cyclone, au niveau du mur de l’œil, là où l’effet du dépla- cement du cyclone se cumule avec l’augmen- tation du fetch des vagues. La figure « b » présente quant à elle la réponse de la surface de l’océan au passage du cyclone. Un refroi- dissement d’environ 2°C est attribué à un mélange vertical intense produit essentielle- ment par les courants (figure « b » : vecteurs) qui sont maximums au niveau des quadrants gauche du cyclone, là où les vents le sont aussi.

Des expériences de sensibilité, utilisées pour mettre en évidence l’impact du couplage avec un modèle de vagues, montrent un effet limité sur la trajectoire, l’évolution de l’intensité et les flux de surface turbulents du cyclone tropi- cal. Par ailleurs, il est montré que l’utilisation d’un système entièrement couplé OVA est essentielle pour obtenir des émissions cohé- rentes de sels marins et pour reproduire ainsi correctement leur impact sur les flux turbu- lents de chaleur et de quantité de mouvement.

Apport du couplage Océan-Vagues-Atmosphère à haute résolution

pour la prévision des cyclones tropicaux

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De par leur forte sensibilité aux hydromé- téores non ou faiblement précipitants, les radars « nuages » opérant en bande W sont très complémentaires des instruments actifs couramment utilisés en météorologie (lidars et radars de précipitation au sol). Pourtant, les données issues de ces radars ne sont tou- jours pas utilisées pour l’initialisation de modèles régionaux de type AROME. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser un opérateur d’observation, capable de convertir les champs physiques prévus par AROME en réflectivité radar.

Un opérateur d’observation a donc été conçu en cohérence avec AROME, et est adaptable pour des radars à visée verticale au sol ou aéroportés. Afin de dissocier les erreurs de positionnement des nuages prévus par AROME de celles présentes dans l’opérateur d’observation, une nouvelle méthode de vali- dation, appelée « la méthode de la colonne la plus ressemblante » (CPR), a été conçue. Elle permet de comparer chaque profil vertical de réflectivité observé avec le profil simulé qui lui est le plus semblable dans un voisinage donné.

L’opérateur d’observation a ainsi été validé en utilisant les profils collectés par le radar aéro- porté RASTA dans des conditions variées durant la première période d’observation de HyMeX. Enfin, la méthode de la CPR a été uti- lisée afin de restituer les « formes équiva- lentes optimales » des hydrométéores glacés, ce qui a mis en évidence que l’utilisation de forme sphéroïdale, plutôt que sphérique, pour la neige et le graupel, permet d’ajuster le biais observé entre les simulations et les observations.

Cet opérateur va servir à assimiler les don- nées RASTA dans AROME. Il pourra aussi être utilisé pour la validation de modèles régio- naux, par exemple pour étudier le bénéfice apporté par le nouveau schéma microphy- sique LIMA.

Utilisation des observations de radars à nuages

pour la Prévision Numérique du Temps

(PNT)

䊳 a : Configuration de la grille réduite près d’un pôle. Le nombre de points de grille sur le premier cercle de latitude est de 18 et augmente progressivement en s’éloignant du pôle.

b : Zoom du champ de tourbillon potentiel sur une partie du domaine (abscisse : longitude, ordonnée : latitude, en degrés) pour une prévision d’écoulement idéalisé sévère d’instabilité barotrope, après 6 jours de simulation.

La structure du champ est exactement conforme à celle donnée en référence dans la littérature.

䊱

Configuration de la grille réduite près d’un Champs instantanés issus de la simulation couplée OVA durant l’approche du cyclone tropical Bejisa de La Réunion.

a : en couleurs, le module du vent à 10m simulé par Méso-NH, et en contour, la hauteur significative des vagues simulée par WW3.

b : en couleurs, la température de surface de la mer, et en vecteurs,

les courants de surface simulées par CROCO.

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䊴

Profils de réflectivité observés le 10 octobre 2012 par RASTA (a) en fonction du temps (en heure UTC).

La figure (b) représente les profils de réflectivité simulés en considérant les hydrométéores glacés sphériques qui sont co-localisés avec le radar RASTA.

Les profils restitués par la méthode de la CPR sont représentés figure (c) pour des particules sphériques et figure (d) pour des particules sphéroïdales.

4 5

b a

d c

b

b a

a

Exploitation du radar nuage

Basta of Bourbon (BOB) pour la climatologie et l’évaluation des performances

du modèle AROME-Océan Indien

En Europe, c’est le service E-AMDAR de EUMET- NET qui gère la collecte et la redistribution des données effectuées par les avions de ligne. À la demande de Météo-France, le nombre de ces observations a été augmenté sur la France de début mai à mi-juin 2017. Davantage de données ont été achetées, distribuées puis assimilées par les modèles de PNT. C’était une opportunité de vérifier que l’assimilation de données supplémentaires d’avion apporte un gain de qualité aux prévisions AROME-France.

Les données en sus sont organisées en profils verticaux (montées et descentes d’avion) sur des aéroports français mais pas étiquetées.

Tout le travail a donc consisté à identifier les observations supplémentaires. Il a fallu asso- cier chaque profil à un aéroport (français ou non) et supprimer ses données le cas échéant (profil qualifié supplémentaire en France). Des périodes « normales » comme avril 2017 ou mai 2016 ont servi de référence. Cette opéra- tion revient à enlever environ 15 % des don- nées d’avion dans la catégorie « profils européens », 12 % de toutes les données d’avion dans les fichiers servant à AROME- France (voir Figure a). L’impact sur la qualité du modèle AROME sur le mois de mai 2017 ne se détecte qu’aux réseaux de 12 et 18h et son amplitude est très limitée. Il est rarement signi- ficatif. On vérifie ainsi une légère amélioration de la prévision de vent à 24h d’échéance sur un domaine cernant étroitement le territoire métropolitain (voir Figure b).

Impact du renforcement des données d’avions

dans l’assimilation AROME

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䊳 a : On compare ici l’impact de 2 méthodes pour identifier les profils de données d’avion E-AMDAR sur les aéroports français et leur associer un caractère exceptionnel (en rouge) ou routinier (en vert). La partie en rouge montre la quantité de données enlevées dans l’expérience.

Les autres données E-AMDAR (en bleu et brun) ne sont pas concernées par cet étiquetage, tout comme les données en provenance des USA : elles ne sont pas modifiées dans l’expérience de test.

b : Mesure de l’impact du retrait des observations E-AMDAR supplémentaires par rapport à AROME-France opérationnel en comparaison aux radiosondages.

On montre ici l’écart-quadratique moyen (EQM) et le biais des prévisions à 24h par rapport aux radiosondages pour le réseau de 12h.

Le LACy a fait l’acquisition en 2016 d’un radar nuage BASTA (95 GHz). Ce radar, déployé sur le nouveau site d’observation de l’OPAR (Obser- vatoire de Physique de l’Atmosphère de La Réunion), situé sur le campus de l’Université de La Réunion, est exploité en synergie avec le radar aérosol MARLEY (Mobile Aerosol Raman Lidar for troposphEre surveY) ainsi qu’un ensemble de capteurs (2DVD, station météoro- logique, caméra all-sky, radiomètre, …) visant à documenter les propriétés des nuages et des précipitations en milieu tropical. Ce nouveau site expérimental, qui vise à compléter les observations effectuées à la station atmosphé- rique du Maïdo – cette dernière étant plus par- ticulièrement dédiée à l’observation de la haute troposphère – à pour vocation de deve- nir l’un des principaux sites de référence de l’hémisphère sud pour l’observation des nuages.

L’analyse des observations collectées pendant la première année d’exploitation du radar (Nov.

2016 – Oct. 2017) a permis de réaliser une cli- matologie des nuages dans la région nord de La Réunion. Cette climatologie a été confrontée aux prévisions du modèle AROME-Océan Indien sur la même période afin d’évaluer la capacité de ce modèle à reproduire correcte- ment l’occurrence et la distribution verticale des nuages observées par le radar. Les obser- vations mettent en évidence l’existence d’un cycle saisonnier très marqué relativement bien capturé par le modèle. Ce dernier semble néan- moins sous-estimer l’épaisseur des nuages bas observés en été et en hiver (austral) et sur- estimer l’épaisseur de la couche de cirrus se développant au cours de l’été.

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a b a

b

c d

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Climatologie de la distribution verticale de la fraction nuageuse observée par le radar BASTA de Saint-Denis de La Réunion au cours d’une journée d’été (a) et d’hiver (b).

Distribution verticale de la fraction nuageuse observée par BASTA et prévue par le modèle AROME-Océan Indien en été (c) et en hiver (d).

Analyses réalisées à partir d’une année complète d’observation / prévisions.

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Assimilation des radiances IASI sur terre dans AROME

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L’instrument Français IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge) est embarqué à bord des satellites défilants Européens MetOp et fournit 8461 mesures par point de sondage. IASI apporte des informa- tions notamment sur les profils atmosphé- riques de température et d’humidité, ainsi que sur la température et l’émissivité de la surface.

En suivant l’approche développée au CNRM pour les instruments micro-ondes et imageurs, a pu être opérée la restitution des températures des surfaces continentales à partir de IASI en s’appuyant sur des atlas d’émissivité de sur- face élaborés par l’Université du Wisconsin. La mesure dans l’infrarouge est sensible à la pré- sence de nuage dans le pixel sondé. Ainsi, en condition de ciel clair, la température de la sur- face dans le pixel sondé peut être déduite des mesures faites dans certaines longueurs d’onde sélectionnées, sensibles à la surface.

Cette méthodologie est maintenant disponible dans le modèle global ARPEGE et le modèle à fine échelle AROME. La figure illustre la tempé- rature de surface déduite de IASI dans AROME- France en cas de ciel clair, et la couverture nuageuse sinon. Grâce à ces paramètres de surface plus réalistes, l’assimilation de IASI est améliorée, permettant de mieux décrire les basses couches de la troposphère au-dessus des continents.

La synergie des températures des surfaces continentales restituées à partir de différents instruments sera évaluée pour que ces tempé- ratures soient ensuite utilisées dans le schéma d’analyse de la surface, apportant une informa- tion plus réaliste sur la température de surface pour l’assimilation des observations satelli- taires et pour le modèle de prévision.

Vers l’assimilation des données

de radiomètres micro-ondes dans le modèle AROME : cas d’étude en vallée Alpine

Les radiomètres micro-ondes au sol (MWR) per- mettent d’accéder à des mesures en continu de température, d’humidité sur la verticale et d’eau liquide intégrée à la fois en ciel clair et nuageux. Leur contenu en information est maximal dans la couche limite atmosphérique connue pour son sous-échantillonnage dans les réseaux opérationnels actuels. Une action de recherche est en cours au CNRM pour éva- luer le potentiel de ces observations de manière à mieux initialiser les prévisions du modèle AROME, notamment en condition de couche limite stable.

Lors de la campagne Passy-2015, un radiomè- tre micro-onde a été déployé au centre d’une vallée alpine et co-localisé avec des radioson- dages à haute fréquence (toutes les 3 heures).

Les difficultés du modèle AROME à 1.3 km de résolution horizontale à bien représenter ces conditions (couches stables, relief) ont entrainé une importante sous-estimation du refroidissement proche de la surface. Des expériences d’assimilation unidimensionnelle (1DVAR) similaires aux méthodes opération- nelles ont été menées en combinant les obser-

vations du radiomètre micro-onde et les prévi- sions 1h du modèle AROME. L’erreur de prévi- sion modèle est fortement réduite, principalement dans la couche limite grâce à l’assimilation 1D des observations passant de 8 K à 0.5 K proche de la surface en ciel clair.

Lors de conditions de nuages bas, l’erreur com- mise par le modèle sur l’inversion de tempéra- ture à la base du nuage est aussi divisée par deux. Grâce à la haute fréquence de ces obser- vations (quelques minutes), l’évolution tempo- relle de la couche limite est nettement mieux représentée dans le modèle. Ces résultats montrent le bénéfice attendu de l’assimilation de ces nouvelles observations dans le modèle AROME.

8

b

c a

8

La chaîne opérationnelle AROME utilise des cycles d’assimilation/prévision de 1h basés sur un schéma de type 3DVar. Une des fai- blesses de ce schéma est que les covariances des erreurs de prévisions sont modélisées et calibrées de manière climatologique : les corré- lations sont homogènes sur le domaine, et les variances statiques. Les incréments d’analyse résultants (différence entre le nouvel état ana- lysé et la prévision ayant servi d’ébauche), obtenus après assimilation de nombreuses observations diverses, ne dépendent donc pas de l’écoulement météorologique.

Les schémas de type 3DEnVar visent à rempla- cer ces covariances climatologiques, soit par des covariances directement déduites d’un ensemble de prévision, soit par une combinai- son linéaire des deux dans une version hybride. Une localisation des covariances échantillonnées, qui annule progressivement les corrélations spatiales avec la distance, est nécessaire pour filtrer une partie du bruit d’échantillonnage. La figure montre que les incréments obtenus, bien que plus bruités que ceux issus du 3DVar, possèdent clairement des structures liées au flux. Les scores aux prévi- sions calculés après 5 semaines d’assimila- tions cyclées montrent un apport significatif de cette approche pour un AROME à 3,8 km de résolution.

Les recherches se poursuivent sur l’implémen- tation de différents schémas de localisation et sur l’utilisation de l’EnVar en mode 4D. Une assimilation d’ensemble AROME sera mise en opérationnel en parallèle, ce qui permettra de fournir des covariances échantillonnées en temps réel. Le but final est d’améliorer les pré- visions opérationnelles à 1,3 km de résolution.

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Prototype de schéma d'assimilation 3DEnVar

pour AROME

䊱

Températures des surfaces continentales déduites de IASI en cas ciel clair (plage de couleurs, température exprimée en Kelvin) et couverture nuageuse dans le pixel IASI (nuances de gris, exprimée en pourcentage) dans le modèle AROME-France pour le 8 octobre 2017 à 21 UTC.

Coupes horizontales à 900 hPa d’incréments d’analyse de température (en K) obtenues par (a) le 3DVar, (b) le 3DEnVar, le 6 février 2016 à 0h. La même ébauche (prévision 3h AROME à 3,8 km)

est utilisée dans les 2 cas.

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b

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a

La prévision des phénomènes météorolo- giques extrêmes est un enjeu important, en rai- son des dégâts matériels et humains qu’ils occasionnent. La prévision d’ensemble AROME (AROME-PE), avec une résolution de 2,5km sur la France, présente un fort potentiel pour la pré- vision de ces évènements.

L’indice de prévision extrême (EFI), introduit par Lalaurette (2003), fournit notamment une indication de la sévérité des évènements pré- vus, en comparant la distribution de probabilité donnée par une prévision d’ensemble au cli- mat du modèle.

L’étude réalisée a examiné la faisabilité et la pertinence d’un calcul d’EFI à partir d’AROME- PE, avec comme principale difficulté le calcul du climat du modèle, échantillonné à partir d’une archive de seulement deux ans (disponi- ble depuis août 2015). Afin d’exploiter au mieux cet échantillon réduit, des méthodes de tolérances spatiale et temporelle ont été propo- sées et ont permis d’améliorer la robustesse du climat obtenu.

Des études de cas indiquent que ces premiers EFI sont capables de détecter des zones de risque cohérentes avec les observations et la vigilance météorologique, notamment pour des épisodes de tempêtes hivernales et de fortes pluies.

Une étude objective a également permis d’éva- luer les EFI par rapport à la vigilance. D’une part, on montre que les vigilances orange et rouge sont généralement associées à des fortes valeurs d’EFI. D’autre part, les EFI permet- tent de correctement discriminer les fausses alarmes et les non-détections, ce qui pourrait en faire un outil pertinent pour l’ébauche d’alerte.

A court terme, un contrôle régulier des EFI par les prévisionnistes pourra être proposé. Une archive plus profonde permettra également d’améliorer leur précision.

EFI AROME

Un aspect essentiel lors du développement d’un système de prévision d’ensemble concerne le choix de la taille de l’ensemble et de sa résolution spatiale. Afin d’exploiter au mieux l’augmentation prévue des ressources de calcul, il est donc important d’évaluer objec- tivement les impacts respectifs d’une augmen- tation de la taille et de la résolution des ensembles.

Dans cette perspective, la prévision d’ensem- ble AROME (AROME-PE), qui comprend actuel- lement 12 membres perturbés à 2,5 km de résolution, a été comparée à deux configura- tions expérimentales, qui utilisent des résolu- tions de 2,5 km et 1,3 km avec 34 et 12 membres respectivement.

Les résultats indiquent qu’une augmentation de la résolution à l’impact le plus fort à très courte échéance, alors qu’une augmentation de la taille de l’ensemble conduit à de meil- leures performances à plus longue échéance, lorsque la prévisibilité diminue. La combinai- son de trois productions successives d’AROME- PE s’avère également être une approche compétitive pour augmenter la taille de l’en- semble à moindre coût : les performances de cet ensemble de 36 membres sont générale- ment proches voire meilleures qu’une produc- tion unique de 34 membres, à toutes les échéances et pour différents paramètres.

Étant donnés les coûts et les scores des diffé- rentes configurations, il est suggéré d’utiliser les futures ressources de calcul afin d’augmen- ter en priorité la taille d’AROME-PE, en ajoutant des membres et en combinant plusieurs pro- ductions rapprochées. Néanmoins, des expé- riences à plus haute résolution doivent se poursuivre, notamment pour les cas d’évène- ment extrême.

PEARO, sensibilité à la résolution et à la taille

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12

䊴

Précipitations cumulées en 6h, valides le 13 juin 2017 à 21 TU : a : Lame d’eau Antilope ;

b : Quantile maximal de la prévision d’ensemble AROME opérationnelle ;

c : Quantile maximal de la prévision d’ensemble AROME

à 1,3 km de résolution (12 membres) ; d : Quantile maximal de la prévision d’ensemble AROME à 34 membres (résolution 2,5 km).

Toutes les prévisions sont issues du réseau du 12 juin à 21 TU.

䊴

a : EFI pour les rafales de vent à 10 mètres, calculé à partir de la prévision d’ensemble AROME

pour le 6 mars 2017 à 06 UTC (cas de la tempête Zeus) : plus les valeurs sont proches de 1

plus le phénomène prévu s’éloigne de la climatologie du modèle.

b : Carte de vigilance météorologique pour la période du 6 mars 2017 6h local au 7 mars 2017 6h local.

c : Carte de pré-alerte : les départements dont l’EFI médian dépasse un seuil donné sont identifiés

(en violet) comme potentiellement touchés par un phénomène dangereux.

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a b

c

a b

c

d

Étude et modélisation des processus

Les articles constituant ce chapitre sont des exemples des recherches conduites à Météo-France en 2017 sur la compréhension et modélisation des phénomènes météorologiques à enjeux et de leurs interactions avec la surface. Ces travaux ont pour finalité l’amélioration de la représenta- tion des processus dans les modèles de prévision numérique du temps et du climat de Météo-France, et le développement de services météoro- logiques ou climatiques performants.

L’étude présentée ci-après sur l’intensification des précipitations extrêmes au Sahel au cours des 35 dernières, publiée dans la revue Nature, illustre comment la compréhension des processus permet d’interpréter les tendances constatées dans les séries d’observations satellitaires et d’en retrouver les signaux dans les projections climatiques. Ce type de démarche est appliqué à d’autres extrêmes, comme illustré ci-après sur les vagues de chaleur.

Pour ces études de processus et l’amélioration de leur représentation par les modèles, la modélisation à très haute résolution constitue un outil privilégié. Les articles sur la modélisation de la turbulence et le développement d’indicateurs de turbulence pour l’éolien offshore sont des illus- trations aux deux extrémités de la gamme de résolution utilisée (0,5 m et 2,5 km). Ces simulations à très haute résolution, comme celle présen- tée ici (cf. figure), servent aussi à préparer et évaluer l’apport de la résolution hectométrique envisagée pour la prochaine génération de systèmes de prévision numérique à aire limitée. Cette haute résolution nécessite d’améliorer la description des surfaces et des interactions aux interfaces avec l’atmosphère, comme illustré ici pour différents types de surface (surfaces urbanisées, surfaces naturelles, océan).

1

2

La mer Méditerranée est une source impor- tante de chaleur et d’humidité pour les sys- tèmes convectifs à l’origine des événements fortement précipitants qui affectent fréquem- ment le bassin.

terface de couplage SURFEX-OASIS, avec une fréquence d’une heure. Le système couplé a été appliqué sur un domaine couvrant la Méditerranée occidentale et avec une résolu- tion d’environ 2.5 km dans les deux comparti-

mer constante et égale au champ initial, mon- trent la sensibilité de la prévision de l’épisode méditerranéen au couplage avec l’océan, aussi bien en termes d’intensité que de localisation des précipitations intenses. Des bilans d’eau

Intensification de la convection profonde et des précipitations extrêmes au Sahel au cours des 35 dernières années

Au Sahel, l’essentiel des précipitations pro- vient de systèmes de méso-échelle (MCS) tels que les lignes de grains. Ces MCS sont parmi les plus intenses du globe et constituent une cause majeure d’inondations récurrentes et dévastatrices.

De nombreuses études indiquent une augmen- tation des précipitations extrêmes en lien avec le réchauffement climatique. Cependant, au Sahel comme généralement dans les Tropiques, les observations in-situ sont rares.

De plus, les modèles peinent à simuler les MCS ; les projections climatiques de l’intensité des précipitations sont donc très incertaines.

En revanche, l’archive satellitaire METEOSAT a

permis d’identifier une forte intensification au Sahel, avec un triplement du nombre de MCS dont la température est inférieure à -70°C en 35 ans (voir figure).

Cette tendance n’est que partiellement reliée à la reprise des pluies qui a suivi les sècheresses des années 80. Elle ne fait pas non plus inter- venir un réchauffement local puisqu’au Sahel, pendant la mousson, on observe un refroidis- sement (associé à la reprise des pluies). Cette tendance est cependant corrélée au réchauffe- ment global, qui, à l’échelle régionale de l’Afrique de l’ouest, affecte principalement le Sahara. Ce gradient méridional (refroidisse- ment au Sahel, réchauffement au Sahara)

induit une intensification du cisaillement de vent, laquelle favorise le développement de MCS intenses qui génèrent de fortes conver- gences d’humidité et des pluies violentes. Ces changements régionaux sont cohérents avec la tendance observée et susceptibles de les expli- quer.

Les projections climatiques futures indiquent une augmentation de ce gradient entre Sahel et Sahara, suggérant que l’augmentation de la fréquence des pluies extrêmes au Sahel pour- rait se poursuivre.

Le système couplé AROME-NEMO pour la prévision des événements

fortement précipitants en Méditerranée

䊴Simulation Méso-NH à 150 m de résolution de l’épisode méditerranéen de pluie intense du 26 octobre 2012 observé pendant la campagne de mesures SOP1 d’HyMeX, initialisé à partir de l’analyse du modèle de prévision AROME :

a : Contenu en hydrométéores précipitants glacés à 6km d’altitude ;

b : Coupe verticale le long du segment AB présentant le contenu en précipitations liquides (échelle de gris), en hydrométéores précipitants solides (plages bleues et isoligne magenta), en hydrométéores nuageux (isoligne noire) avec l’isotherme 0°C (isoligne rouge), et les zones de vitesses verticales ascendantes (supérieures à 5 m/s, isolignes vertes) et subsidentes (inférieures à -2m/s, isolignes oranges). La résolution de 150 m permet de représenter les cellules convectives formant le système convectif de

méso-échelle, à différents stades de maturité, incluant des cellules au stade de cumulus, des tours convectives bien développées atteignant 12 km d’altitude et générant de très fortes pluies, et une vaste partie stratiforme s’étendant en aval du flux d’altitude.

䊱

a : Carte des tendances significatives de la couverture nuageuse des MCS les plus intenses (température infrarouge de sommet de nuage inférieure à -70°C et taille supérieure à 25000 km²) à 18h (UTC), en moyenne sur les mois de juin à septembre, exprimées en pourcentage de changement par décade ; les contours correspondent à la moyenne sur la période 1982-2016.

b : série temporelle du nombre (par jour) de ces MCS intenses sur le domaine sahélien, délimité par le rectangle violet sur la figure (a).

䊱

a : Architecture du système couplé AROME-NEMO et domaine sur la Méditerranée occidentale.

b et c : Cumuls de précipitation prévus entre le 26 octobre 2012 à 00UTC

et le 27 octobre 2012 à 00UTC (POI 16a) dans la simulation couplée (CPL) et la simulation AROME-WMED forcée (NOCPL) avec une température de surface de la mer constante, toutes deux débutant le 25 octobre 2012 à 00UTC. Les observations sont indiquées par les cercles.

b a

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a

b

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a

b

c

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En appui des projets de fermes éoliennes off- shore, Météo-France a calculé des indicateurs de turbulence atmosphérique pour la couche atmosphérique comprise entre 40 et 160 m, sur les zones littorales de la Mer du Nord, de la Manche et de l’Atlantique.

L’intensité de la turbulence, les rafales à 100 m ainsi que l’exposant du cisaillement vertical de la force du vent, ont été identifiés comme les indicateurs les plus adaptés dans ce contexte.

La production des indicateurs d’intensité de la turbulence et de rafales à 100 m a nécessité une phase d’étude. Ces deux indicateurs ne sont pas des sorties du modèle météorolo- gique AROME.

Leur mode de calcul a été choisi de façon à ce que les valeurs restituées soient conformes à leur définition courante dans les projets éoliens et que leur qualité puisse être évaluée par com- paraison aux calculs réalisés sur la base d’ob- servations. Les connaissances scientifiques sur

la turbulence atmosphérique et sa représenta- tion dans AROME sont ainsi exploitées au mieux.

Plusieurs indicateurs, répondant potentielle- ment aux critères énoncés ci-dessus, ont été calculés à partir de données horaires AROME à la résolution horizontale de 0,025° sur la période 2000-2015. Les indicateurs retenus sont ceux qui ont été jugés les plus proches des indicateurs calculés à partir des mesures de vent à disposition. Une des difficultés et limite de l’approche réside dans la faible disponibilité d’observations de vent en altitude et qui plus est sur mer.

Des statistiques de ces différents indicateurs de turbulence ont ensuite été établies pour res- tituer une climatologie de la turbulence atmo- sphérique entre 40 à 160 m sur les côtes occidentales de la métropole.

Estimation d’indicateurs de turbulence pour l’éolien offshore à partir du re-jeu AROME

4

5 Améliorer la représentation de la turbulence

dans la couche limite stable nocturne est un point clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de tempéra- ture et des épisodes de pollution notamment en hiver.

La paramétrisation de la turbulence actuelle- ment utilisée dans les modèles Méso-NH et AROME fait intervenir la longueur de mélange, un paramètre important qui carac- térise la taille des tourbillons atmosphé- riques. Une nouvelle expression pour la longueur de mélange a été formulée. Elle associe un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Ces deux proces- sus physiques contraignent la taille des tour- billons quand l’atmosphère est stable.

La nouvelle longueur de mélange a été éva- luée par rapport à des simulations LES à haute résolution (50 cm) sur des cas issus de la littérature. Sur le cas d’inter-comparaison

de modèles GABLS1, la simulation Méso-NH avec l’ancienne longueur de mélange sures- time l’intensité du mélange turbulent, ce qui conduit à une couche limite trop haute comme on peut le constater sur le profil de température (Figure a) et le profil du vent (Figure b) par rapport à la LES de référence.

Inclure le cisaillement du vent dans la lon- gueur de mélange permet de réduire ces biais.

Ces travaux de recherche permettront d’amé- liorer l’intensité du mélange prévue dans les modèles opérationnels de prévision du temps.

Amélioration de la turbulence en couches limites stables

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Les villes regroupent la moitié de la popula- tion mondiale, des consommations éner- gétiques et des émissions de CO₂. La paramétrisation de ville TEB calcule les échanges d’énergie entre les villes et l’atmo- sphère. Elle contient un module de la ther- mique du bâtiment qui simule la demande d’énergie pour le chauffage et la climatisation en fonction des conditions météorologiques, des caractéristiques du bâtiment (matériaux porteurs, isolants, vitrage), ainsi que des comportements énergétiques des habitants (consigne de chauffage). Une base de don- nées urbaines a été construite en coopéra- tion avec des géomaticiens, architectes et sociologues pour alimenter TEB (mapuce.

orbisgis.org). Les informations sur les com- portements énergétiques proviennent du croisement de questionnaires et du recense- ment de la population.

A l’échelle d’un quartier, et plus particulière- ment dans les centres villes français et euro- péens, la mixité d’usages (résidentiel, bureau, commercial) peut être importante.

TEB a été amélioré afin de représenter cette mixité d’usages et des comportements éner- gétiques associés. Ces travaux ont permis de simuler les consommations énergétiques (Figure a). Les émissions de CO₂en milieu urbain dues au chauffage, au trafic, à la végé- tation urbaine ont aussi été introduites. Elles ont été évaluées avec les observations de la campagne de mesures CAPITOUL au centre de Toulouse. Par rapport à une température de chauffage à 19 °C partout et tout le temps, la prise en compte de la diversité des usages et comportements permet de bien mieux représenter l’évolution au cours de la journée des émissions de CO₂(Figure b).

Ces travaux de recherche permettront d’éva- luer des stratégies d’adaptation des villes au changement climatique.

Simulation des comportements énergétiques et des flux

de CO ₂ en ville

Profils verticaux de la température potentielle (a) et du module du vent (b), moyennés sur une heure, obtenus par une simulation LES tridimensionnelle (référence) et deux simulations uni-colonnes avec l’ancienne et la nouvelle longueur de mélange sur le cas d’inter-comparaison de modèles GABLS1.

䊲

a : Répartition spatiale du flux de chaleur lié aux consommations énergétiques des bâtiments simulé par TEB à Toulouse. Les flux sont moyennés sur la saison d’hiver 2004/2005 qui fait partie de la campagne d’observations CAPITOUL.

b : Cycle journalier moyen du flux de CO2 pour la même période à l’endroit du mât de mesures qui est marqué avec une croix dans (a).

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a b

a b

䊴

Carte de la moyenne de l’intensité de turbulence au niveau 160 m sur la bande littorale, calculée à partir des données AROME (2000-2015).

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Vers un nouveau schéma de transfert radiatif dans les modèles de Météo-France

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Au Sahel, le cycle annuel de la température présente un maximum marqué au printemps, en avril-mai, juste avant l’arrivée des pluies de mousson. Les températures journalières maximales Tmax (minimales Tmin) sont alors d’environ 40°C (30°C) en moyenne men- suelle. C’est aussi durant cette période de l’année que le réchauffement climatique est le plus fort, atteignant plus de 2°C en 60 ans pour les minima nocturnes (Tmin). Les vagues de chaleur sahéliennes se développent au printemps dans un climat déjà très chaud et qui se réchauffe fortement; elles correspon- dent donc à des évènements aux répercus- sions sociétales potentiellement sévères.

Elles sont définies ici comme des évènements météorologiques d’échelle synoptique à intra- saisonnière, et les vagues nocturnes et diurnes sont étudiées séparément. Nous avons analysé comment la tendance clima- tique moyenne affecte ces vagues de chaleur identifiées à partir d’observations.

Le réchauffement climatique est générale- ment plus fort dans le nord Sahel, et au pre- mier ordre, les tendances observées pour les vagues sont relativement proches de cette tendance moyenne. Elle est légèrement moin- dre (plus élevée) pour les vagues de chaleur diurnes (nocturnes) (voir figure). Ces diffé- rences font intervenir des circulations atmo- sphériques et des processus physiques distincts, avec un rôle de la vapeur d’eau sur l’intensification de ces vagues qui appelle des études dédiées. Au-delà, l’influence domi- nante du réchauffement moyen sur les vagues de chaleur montre qu’il est tout d’abord nécessaire de mieux comprendre le climat moyen, son cycle annuel et ses tendances au Sahel et d’améliorer la modélisation (les simulations climatiques présentent en effet une très grande dispersion au printemps).

Évolution climatique des vagues de chaleur

au Sahel

䊱

Différence d’irradiance entre les flux solaires descendants simulés et mesurés à Carpentras le 3 juillet 2017 à midi heure locale.

Les mesures de rayonnement sont effectuées avec un pyranomètre et les simulations sont effectuées avec le modèle Méso-NH en utilisant le nouveau code radiatif ou l’original.

La transmission du rayonnement solaire à tra- vers l’atmosphère est un élément essentiel de la météorologie. Les codes radiatifs utilisés à Météo-France pour représenter ce processus proviennent historiquement du CEPMMT, la version actuellement en place datant de 2002. C’est pourquoi le nouveau code ecRad est en cours d’implémentation.

Les principales différences entre ce nouveau code et l’original sont 1) l’utilisation du modèle RRTM à 14 bandes spectrales au lieu du modèle original à 6 bandes ; 2) l’implé- mentation d’une nouvelle climatologie d’aé- rosols basée sur des observations satellite récentes ; 3) la révision des propriétés optiques des aérosols. La figure présente une comparaison entre les rayonnements mesu- rés et simulés par le modèle Méso-NH à Carpentras pour une journée de ciel clair. La prise en compte climatologique des aérosols conduit à des flux très différents de ceux mesurés. A climatologie identique les diffé- rences entre les deux codes soulignent par ail-

leurs l’impact du choix des propriétés optiques de ces aérosols. Les simulations sans aérosols sont plus proches des observa- tions car le ciel était peu chargé en aérosols ce jour-là par rapport à la moyenne. Les simula- tions sans ozone soulignent aussi l’impact radiatif important de ce gaz, impact très diffé- rent entre les deux codes.

Ces résultats montrent la sensibilité des flux simulés au code radiatif utilisé et met en évi- dence l’importance de raffiner la représenta- tion du forçage radiatif des aérosols et des gaz actifs. A l’avenir, ils seront ainsi pris en compte de manière pronostique plutôt que climatologique, afin d’améliorer le bilan d’énergie de surface. Le nouveau code per- mettra également de développer un outil de prévision de la production photovoltaïque.

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䊴

Carte des tendances climatiques de la température journalière (a) maximale et (b) minimale (Tmax et Tmin) calculées sur avril mai de 1950 à 2012 ; (c) et (d) comme (a) et (b), s auf pour la tendance de Tmax (Tmin) pour les vagues de chaleur diurnes (nocturnes) ; (e) et (f) : différence entre les tendance climatiques et les tendances pour les vagues de chaleur (e=c-a, f=d-b).

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c

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9 La dynamique de la croissance de la végétation

sur les surfaces terrestres est étroitement liée aux conditions atmosphériques et subit les effets de la variabilité climatique. Par rétroac- tion sur les échanges d’eau, d’énergie et de car- bone, la végétation contribue au changement climatique global. L’indice de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI), qui représente la densité du feuillage, est un bon indicateur de la crois- sance des plantes. Grâce aux observations satellitaires, le LAI est reconstruit à l’échelle du globe à une résolution kilométrique.

Cependant, si plusieurs types de végétation (forêt, prairie, etc.) sont présents sur une sur- face de 1 km2, l’observation satellitaire fournit un LAI moyen et ne permet pas d’accéder au LAI de chaque type de végétation.

Une méthode de désagrégation du LAI a été développée et a permis de produire des cartes mondiales et décadaires de LAI pour chaque type de végétation. Ce nouveau jeu de don-

nées a permis d’étudier de façon individuelle l’évolution des différents couverts au cours des deux dernières décennies. Si l’analyse des tendances du LAI montre un verdissement des surfaces terrestres, de fortes disparités entre les types de végétation et les régions du globe sont mises en évidence. Par exemple, ce ver- dissement global est très marqué pour les forêts de conifères et les cultures d’été, et beaucoup plus faible pour les cultures d’hiver et les prairies. En outre, le nord-est de l’Europe a vu ses forêts verdir contrairement aux cul- tures et aux prairies qui montrent une ten- dance négative dans cette région.

Ce nouveau jeu de données permettra d’amé- liorer le suivi de la végétation, d’analyser les impacts du changement climatique et d’éva- luer les modèles de surface utilisés pour l’élaboration des scénarios climatiques.

Désagrégation du LAI satellitaire pour une meilleure description de la dynamique des couverts végétaux

ECOCLIMAP est une base de données globale kilométrique qui décrit les écosystèmes à la surface terrestre. Elle est intégrée à SURFEX qui rassemble plusieurs modèles physiques per- mettant de simuler l’évolution du milieu consi- déré (sol, eau, ...). Elle est utilisée par l’ensemble des modèles de Météo-France. En effet, SURFEX est couplé avec les modèles atmosphériques de méso-échelle Méso-NH, AROME et ALADIN ainsi qu’avec les modèles globaux de climat CNRM-CM et bientôt de pré- vision numérique du temps ARPEGE-PNT. La version originale d’ECOCLIMAP date de 2003, une mise à jour sur l’Europe a été réalisée en 2012.

La modélisation à haute résolution se déve- loppe et requiert une description plus fine de la surface. Sa mise à jour plus régulière constitue aussi un enjeu fort. ECOCLIMAP-SG (Seconde Génération) répond à ces deux besoins.

Auparavant, la définition des paramètres était

ECOCLIMAP-SG,

nouvelle base de données pour les paramètres

de la surface

Tendances de l’indice foliaire (Leaf Area Index, LAI) sur la période 1999–2015 pour différents types de couvert végétal.

Les valeurs représentent le LAI moyen, la tendance moyenne et la disparité géographique.

䊲

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Estimation du bilan d’énergie des surfaces terrestres par satellite

pour une meilleure caractérisation de la végétation à l’échelle mondiale

La croissance de la végétation dépend du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre dans la gamme de fréquence utile à la photosynthèse (400-700 nm) appelé le Rayonnement Photosynthétique Actif (PAR en anglais). Avec un nombre grandissant de mis- sions spatiales d’observation de la Terre, il est désormais possible d’avoir une surveillance plus complète du bilan d’énergie dans le PAR qui détermine le processus de photosynthèse.

Un modèle à deux couches du bilan d’énergie dans lequel tous les angles d’incidence sont considérés (illumination diffuse) a été déve- loppé pour évaluer la cohérence des observa- tions satellite disponibles pour le suivi de la végétation à l’échelle mondiale.

En utilisant des observations satellitaires, on observe que le bilan d’énergie lié au rayonne- ment diffus est légèrement sous-estimé en Europe mais reste dans l’intervalle théorique d’incertitude. Cela montre que ces observa- tions sont pertinentes pour le suivi de la végé- tation. L’analyse d’incertitude montre que l’indice de surface foliaire (LAI) « effectif » joue un rôle important dans le bilan d’énergie. Le LAI effectif est composé du « vrai » LAI et d’un fac- teur de recouvrement exprimant l’hétérogé- néité spatiale du feuillage. Ce facteur a un impact direct sur la fraction de rayonnement qui traverse la végétation. A partir des observa-

tions disponibles, il est possible d’estimer ce facteur de recouvrement et de le relier à deux caractéristiques physiques de la végétation : la densité et le rayon de la couronne. Cette nou- velle carte des caractéristiques de la végétation améliore le bilan d’énergie en termes de distri- bution spatiale et temporelle. Des études sont en cours pour attribuer des valeurs à chaque type de végétation afin d’améliorer le bilan d’énergie dans le modèle ISBA.

䊳 a : La carte d’occupation des sols ECOCLIMAP-SG à 300 m de résolution.

b et c : Résultats sur l’application hydrologique SIM : rapport de débit (meilleur = 1) et critère de NASH (meilleur = 1).

ECO1 = ECOCLIMAP1. ECO2 = ECOCLIMAP2.

ECOSG = ECOCLIMAP-SG.

Caractéristiques de la végétation retrouvées à partir des observations satellitaires : densité [m^-2] multipliée par le carré du rayon de la couronne [m].

La carte de la combinaison de ces deux paramètres de la végétation présente de fortes similitudes avec la carte d’occupation des sols comme ECOCLIMAP qui est utilisée dans ISBA.

䊲 étroitement liée à la carte d’occupation des

sols. Désormais, cette carte est à 300m de résolution et associée à des cartes de paramè- tres issues de données satellitaires indépen- dantes (indice foliaire, albédo, hauteur des arbres...).

Les premiers tests ont été réalisés en mode offline (i.e. guidés par des observations ou des analyses) pour les applications hydrologiques SIM-France et SURFEX-TRIP à l’échelle globale.

Les premiers résultats de SIM ont montré une nette amélioration des scores sur les débits des rivières.

Des tests sont également en cours en mode couplé avec Méso-NH et AROME-France. Il s’agit d’évaluer la sensibilité de ces simula- tions à des variations des paramètres de sur- face, et le cas échéant de proposer d’ajuster certains de ces paramètres, voire les calculs qui les prennent en compte dans SURFEX, sur lesquels des marges d’incertitudes existent.

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a

b c

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2 Les aérosols jouent un rôle essentiel au sein

du système climatique à cause de leurs inter- actions avec le rayonnement et les nuages, et le forçage qui en résulte est toujours soumis à de fortes incertitudes.

Afin de mieux comprendre ces interactions et de pouvoir quantifier l’impact des aérosols sur le climat global et régional, un schéma d’aérosols pronostiques nommé TACTIC est maintenant incorporé dans les modèles de cli- mat du CNRM. Ce schéma, développé depuis plusieurs années au CNRM en coordination avec le CEPMMT, permet de représenter les principaux types d’aérosols naturels et anthropiques de manière réaliste, à un coût

numérique abordable pour de longues simu- lations climatiques. La figure représente les aérosols inclus dans TACTIC, et les paramétri- sations des différents processus associés. Les travaux de cette année ont notamment permis d’améliorer la représentation des émissions naturelles (sels marins et poussières déser- tiques), ainsi que celle du cycle du soufre en prenant en compte les réactions chimiques engendrant la formation de sulfates. Un module permettant de simuler les aérosols de nitrates et d’ammonium dont la contribution au forçage des aérosols anthropiques devrait augmenter d’ici la fin du XXI^esiècle a égale- ment été ajouté. Tous les aérosols ainsi pro-

duits peuvent interagir avec le rayonnement et les nuages, et avoir des impacts sur le cli- mat global et régional.

Le schéma TACTIC sera inclus dans les simula- tions climatiques globales (CNRM-ESM) et régionales (CNRM-RCSM) du CNRM qui seront réalisées pour les exercices internationaux CMIP6 et Med-CORDEX.

Le schéma d’aérosols TACTIC pour l’étude des interactions aérosols-climat

Composition

atmosphérique :

aérosols, microphysique et chimie

La pollution de l’air cause près de 50000 décès prématurés par an en France, et environ 10 fois plus en Europe, constituant un enjeu sanitaire majeur.

Cela justifie des mesures visant à améliorer la qualité de l’air mais aussi, dans le périmètre d’activités de Météo-France, des activités de recherche afin de mieux comprendre et modéliser la composition atmosphérique des basses couches de l’atmosphère, avec pour finalité des prévisions tou- jours plus fiables pour alerter les populations et les pouvoirs publics.

Le modèle de recherche et de prévision MOCAGE de Météo-France fait partie des chaînes opérationnelles de prévision de la qualité de l’air de la plate-forme nationale Prév’Air et du projet européen Copernicus CAMS_50. En 2017, le modèle s’est enrichi d’une représentation des pollens d’oli- vier et de graminées, qui comptent parmi les plus allergènes. Par ailleurs, une étude alliant modélisation et observations Lidar a porté spécifique- ment sur l’hiver 2016-2017, qui a été ponctué de plusieurs épisodes remarquables de pollution aux particules fines associés à des couches d’inversion très basses. Utilisé depuis sa création en mode hors ligne, MOCAGE est désormais l’un des trois modèles de chimie en ligne au sein du modèle de prévision météorologique IFS du CEPMMT. Cette approche permet notamment d’inter-comparer les modèles entre eux, et représente une solution d’avenir, en particulier pour les applications à très haute résolution spatiale.

Il est également nécessaire de représenter la composition atmosphérique dans les modèles de climat, en particulier les aérosols en raison de leurs interactions avec la microphysique nuageuse et le rayonnement. Cela se traduit par le développement du schéma simplifié Tactic au sein d’ARPEGE et ALADIN-Climat, qui permet de disposer d’une représentation réaliste des aérosols pour un coût numérique modéré. Cette approche permettra pour la première fois de mener de nombreuses simulations longues avec aérosols interactifs dans le cadre de l’exercice international CMIP6.

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䊱Épisode de pollution aux particules fines (PM10) sur l’Ouest de la France. L’analyse d’ensemble de la concentration PM10 sur le domaine Europe pour la journée du 22/02/2018 a été produite dans le cadre du projet européen Copernicus CAMS_50 porté par Météo-France. L’ensemble comporte 7 modèles, dont le modèle MOCAGE développé au CNRM.

Le schéma TACTIC inclus dans les modèles de climat CNRM-ESM et CNRM-RCSM.䊲